锂离子电池的安全充电。方案、说明

锂离子电池的安全充电。无线电电子电气工程百科全书

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近年来，《无线电》杂志描述了许多充电器，包括所谓的“智能”充电器，它们不仅最大程度地自动化电池充电过程（它们根据电池上的电压调节充电电流，而且充满电后关闭），但充电前也要放电至所需的初始电压。然而，所有这些设备都是为镍镉和镍氢电池设计的，由于其特定的特性，不太适合为锂离子（锂离子）电池充电。发表的文章描述了一种简单的充电器，旨在为此类电池充电。

尽管有关锂离子电池的信息非常丰富，但互联网上却充满了用户争议，表明需要一种相当简单且可靠的充电设备。所提出的设计只是解决该问题的可能选择之一，主要关注其生产成本较低。与[1]中描述的设备不同，其中使用的微电路的成本不会超过 1 美元。

当然，也有一些指标是绝对不能为了贪图便宜而忽视的。主要问题是操作安全，这已成为业余无线电故事中的一个“人物”，有关锂离子电池在不小心进行实验时发生爆炸。在[2]中，充分详细地描述了公司为防止锂充电电池意外损坏而采取的措施。尽管如此，制造商警告不要将其放电至低于 2,5 V 的电压或高电流（超过 2,5 A）以及过度充电。深度放电和长期充电，即使只有几微安，都会刺激电池电极上枝晶的形成，导致其过早失效。因此，结论不言而喻：要延长锂离子电池的“寿命”，最好及时充电（而不是等到电压降至2,5V），而不一定要达到充满（100 ％）收费。

上述设备的工作原理正是基于这一原理，该设备旨在为 LGR18650E 电池充电（其特性几乎与 NEC [18650] 的 ICR-2 的特性相同）。如有必要，使用文章中给出的计算公式，您可以修改设备以对具有其他特性的电池进行充电。

该装置的电气线路图如图所示。其基础是专用的 DA1 TSM101A 微电路，采用 D1P8 和 S08 封装生产。

（点击放大）

众所周知，锂离子电池必须首先以恒定电流充电，并且在达到给定电压水平后，电压必须按照指数规律下降[2]。在所提出的器件中，运算放大器 DA1.2 将来自充电电流传感器（电阻器 R3）的信号与取自电阻器 R6 滑块的部分参考电压 Uo1,24p = 7 V 进行比较，并打开晶体管 VT1需要在电流传感器上产生所需的压降。此外，该设备在为深度放电的电池充电时提供所谓的调节模式。

我们来计算一下设备参数。由于本例中没有提供对正在充电的电池的热监控，因此我们将最大充电电流 Icharge = 1 A 限制。当然，它可以增加到 1,6 A，但在这种情况下，有必要考虑考虑[3]中提出的建议。本例中未使用DA2芯片的运算放大器，可以轻松实现对充电电池的热控制。

对于可接受的充电电流值，电阻器 R3 两端的压降为 0,22 V。在安装到设备中之前，必须在电阻器 R7 的电机上设置该电压，并使用来自稳定电源的 1,24 V 电压到其上部（根据电路）端子。

如果充电开始时电池 G1 上的电压不超过 2,5 V，则充电电池 G3.1 的调节模式应自动打开。为此，比较器 DA1 监视 G11 上的电压（通过分压器 - 微调电阻 R2,5）），如果小于2 B，比较器的输出晶体管打开至饱和状态，将DA1微电路的引脚11连接到公共线，从而打开参考电流源。与前一种情况一样，在将电阻器 R2,5 安装到设备中之前，向其上部（根据图表）端子提供校准电压（但现在为 1,24 V），并通过转动滑块，在其上获得 1,4 V 的电压。打开参考电流源后，Iobr = 运放DA1.2反相输入端的3mA电压为并联电阻R4和R6、R3两端压降的代数和。忽略电流传感器 R4 上的电流 Iobr 产生的压降，我们计算电阻器 R0,1 的电阻，以获得普遍接受的调节电流 Icond 值 - XNUMX Icharge：

选择所需电阻的最简单方法是将图中标称值的电阻器 R4 与 R6 并联。

因此，图中所示的电流设置电阻的阻值可以确保对深度放电的电池进行充电时的电流不超过100mA，以及当其电压增加到2,5V时，电流为1A。

到目前为止我们已经讨论了电池充电的初始阶段。完成后，运放DA1.1开始工作。将同相输入端的参考电压与取自电阻器 R10 的电压部分进行比较，他打开晶体管 VT1 刚好足以使电池上的电压不超过 4,2 V 的指定水平。为此，在将其安装到设备中之前，电阻器 R10 的上端（根据电路）提供 4,2 V 电压，并将引擎设置到其两端电压为 1,24 V 的位置。

如上所述，锂电池的充电应该在一定的电流值下完成。在本例中，电流选择为 95 mA，相当于其容量的大约 90% [2]。充电电流指示器是连接到比较器DA2输出的HL3.2 LED。后者将电流发送器R3的信号与参考电压进行比较。在充电的最后阶段，这个信号很小，为了消除比较器参数的影响以及需要对其进行选择，器件中引入了DA2.1运放。通过改变其周围的OOS电路中电阻R9的阻值，我们确保比较器在95mA的充电电流下工作。使用图中所示值的电阻R8、R9，HL2 LED在此电流下的亮度大约降低一半，当降低到93mA时，指示灯熄灭。 LED 的这种行为是由于当比较器接近关闭点时在比较器的输出处发生电压“反弹”，如果电池绕过继电器 K1 的触点直接连接到充电电路，则会观察到这种情况。后者的引入不仅可以消除不必要的“电池”，还可以实现充电完成后电池的自动关闭。

这发生如下。当按下SB1按钮时，正极性电压被施加到晶体管VT2的基极（通过电阻器R15、R16）并且它打开。结果，继电器 K1 被激活，并通过其触点 K1.1 将电池连接到充电电路。由于在调节期间和大电流充电时，DA3.2 比较器都会打开 HL2 LED 和光耦合器 U1 的发光二极管，打开的光电晶体管将电阻器 R14 连接到 +7 V 电源总线，然后按下按钮SB1可以被释放。

HL2的发光可以让我们判断设备与电池之间连接的可靠性：如果接触质量差（过渡电阻高），则它不会发光。在这种情况下，释放按钮后，继电器返回到其原始位置，从而将电池与充电电路断开。

如果接触电阻足够低，充电将根据所描述的算法进行。当电流在最后阶段减小且比较器试图产生“反弹”时，释放继电器会导致电池与充电电路断开，并连接带有限流电阻 R3 的 HL18 LED。 HL3 发光表示充电结束。晶体管VT4基极电路中的电容C2起噪声抑制作用。

为了不浪费锂离子电池的资源，建议在设置设备时使用两节或三节容量为 0,5...1 Ah 的镍镉电池作为负载，此时第一级绕过继电器触点组直接连接到阴极VD1。如果您仔细遵循微调电阻引擎 R7、R10、R11 初步安装的建议，甚至可能不需要设置该设备，但要检查主要指标（调节电流、开启满充电电流的阈值电压、其初始值、正在充电的电池的最终电压、显示的充电结束电流值）仍然是必要的。

在设置过程中，数字电压表和 1 A 电流表连接到充电电路，并且连接的不是锂离子电池，而是由两节放电至 1 V 的 Ni-Cd 电池组成的电池。施加 7 V 电源电压后，空调模式应打开。所需电流 (0,1 A) 通过选择电阻器 R6 来设置。随着充电的进行，电池上的电压将增加，一旦达到 2,5V，充电电流应增加至 1A。如有必要，该电流值由微调电阻 R7 设定，并使其变化发生在 2,5 V 电压时，调整电阻器 R11 滑块的位置。

然后将一个由三个电池组成的电池连接到该设备，观察在将其电压增加到大约 4 V 后，充电电流如何开始下降。如前所述，在其值为 95 mA 时，HL2 LED 的亮度应减半，在 93 mA 时它应熄灭。在经过指定的充电电流间隔期间，将清晰地听到继电器触点的颤动声。由于其触点组在此阶段仅切换约5mA的电流（打开和关闭HL3），因此在这样的测试后其状况不会恶化。在第一次充电期间，此过程进行得相当缓慢，但如果您关闭设备并再次打开它（使用已充电的电池），电流会在几秒钟内下降，并在指定限制内实现 LED 的所需行为电流变化（通过选择电阻器 R9）并不困难。如图所示，使用微调电阻 R4,18 将电池的最终电压设置为 10 V。

接下来，通过继电器触点连接电池并检查启动电路的操作，以及充电完成后电池的明显断开。在这种情况下，可能需要通过电阻为 5 ... 10 欧姆的电阻器对充电电池进行初步短期放电。

要完成设置，请将锂离子电池连接到设备，并在充电时检查电压（当然 2,5 V 除外）和充电电流是否与设置值相对应。由于锂离子电池和镍镉电池的内阻存在一些差异，设备可能需要重新调整。

该设备组装在尺寸为 60x45 mm 的面包板上（未开发印刷电路板）。晶体管VT1安装在散热片上，散热面积约为100cm2。我们可以将1N5822二极管替换为工作电流高达3A的任何其他肖特基二极管。微调电阻R7、R10、R11为多匝线，例如SP5-3。电容器 C5 - 任何 6,8...10 μF 的氧化物电容，额定电压为 10...35 V。您可以使用静态基极电流传输系数 h829E 21... 750 的任何其他功能强大的复合晶体管来代替 KT1000A 。

该设备使用带有通行证 RS55（新名称 RS4.569.604-4.569.600）的簧片继电器 RES16A。由于其工作电压远低于 7V，因此电阻器 R17 与绕组串联。允许使用带有通行证 RS4.569.603 (RS4.569.600-15) 的此类继电器。在这种情况下，吸收多余电压的电阻器的阻值应减小至43欧姆。

作为充电电流源，您可以使用[1]中描述的网络适配器，将其输出电压设置为 7 V。

有关 TSM101A、LM358 和 LM393 芯片的信息

文学

Kosenko S. 用于镍镉电池的“智能”充电器。 - 广播，2004 年，第 5 期，第 32 页35-XNUMX。
锂离子电池（“国外”）。 - 广播，2001 年，第 7 期，第 44 页。 45、XNUMX。
Tkachev F. 热敏电桥的计算。 - 广播，1995 年，第 8 期，第 46 页。

作者：S. Kosenko，沃罗涅日

查看其他文章 部分充电器、电池、原电池.

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